In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  2, June  2 01 9, pp.  822~ 8 3 0   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v10 . i 2.pp 8 22- 83 0           822     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Optimal PID controller of a bru shl e ss DC  motor us i ng genetic  algorithm       Muha mmed   A . I b r a h im 1 , Au s ama  Kh . Mah mood 2 ,   Na sh w a n  Sa leh   Sulta n 3   1   S y s t e m   and  Co n t rol  Dep a rtm e nt ,  Nin e vah  Uni v ers i t y ,   Iraq  2  El ectrical P ower Dep artm ent - Tech n i c a l  I n st it u t e   in   M os u l ,   N o r t hern Technical   U nivers i t y, Iraq   3  P o w er T echni cal E ngin e eri n g   Dep a rtm e nt, N orth ern T echn i cal Un i versit y ,   I raq      Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Oct  1 6 ,  2 018  Re vise d N ov  1 9 ,   201 8   A c c e pte d   F eb 11,  2 0 1 9       Brus hl e s s  D C   ( BLDC)  m o tor  is  c o mmo nl y  e m p l oy ed  f o r   m any  i n d u st r ial  app l i catio n s   d ue  t o   thei r  hig h   t o r qu e  a n d   ef fici ency.   T h i s   a rti cle  pro duces   a n   op tim al  d esign e d  co ntro ll er  o f   Bru s h l es s  DC  m ot or  s p eed  c on tro l   d ep endi ng  o n   t h e   g e n e t ic   a lg orith m   ( G A ).   T h e   o pt imi z a t io n  me th od   i s  use d   for   search ing   o f   t he  i d eal  P rop o rt io nal – Int e gral -Deriv ati v e  (P ID)  f act ors.  T h e   con t ro ller  d esi g n   m e tho d s   o f   b rus h l e ss   D C  m o tor  i n cl udes   th ree  ki nds:  t r ial  and   erro r  P I D  d e si gn ,   au to -tu n ing  P I D  des i gn   a n d   g en et ic  a lg ori th m  b a s e d  con t ro ll e r  des ign .   A   P ID cont roller  i s ut ili z in g  b y  con duct e d  I n t eg r a l  ab so lut e   error  crit er i o n  ( I A E )  and  i n t e gr al  s quared  e rror   (ISE)  e rror  cr i t erion  for  B L D C  m o t o r   c o n t r o l  s y s t e m .  A   G A - P I D   c o n t r o l l e r  i s   d e s i g n e d   t o   e n h a n ce  th e  sy st em   p erform ance  b y   m ean s  of  g enet ic  a l gorith m.  P ID   c o n t r oll e r  coef fi cients    ,       are  cal culat e d by  G A   t o  p r od uce  o p tim a l  P ID   a s  hy bri d   P ID   w ith   G A   c o n t r oll e r  . T he  c los e d  lo op  sp eed  r es po nse  o f  PI D   con t ro ller  i s   ex p e rim e nt ed  f o r   I AE   a nd   I S E   e rror  cri t eria.  The  suggested  con t ro ller  G A_PID   is   p lan n ed ,  mo de l e d  and   sim u lat e d  b y   M ATLAB/  so ftw a re  p ro gram .  A   co m p arison  out put  s ystem  perf orm a n c e  m oni to red  f o r   every   con t rol l er  s chem es.  T h e  res u lts  d is pl ay  t hat  t h e  tim e  cha ract erist i cs  perf o r man ce  of   GA-P I D   controller  b a sed   on   I S E   o bj ecti v e  f u n c ti o n  h a s  the   optimal  p erfor m ance  (ri se  t i m e,   s ettli ng  time,  p ercentag e   o ver s h oot )  with   ot her  t echn i qu es. K eyw ord s :   Br ush l e s s  D C   m otor   G e ne tic  A lg ori t hm .     Integral Absolu t e Err o r (IAE )   Integral Squared  Error   (ISE)   PID Co nt r o l l er s   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   N a shw a n S .  S ult a n,    Dep.  of  Powe r Tech nica l   En g i ne eri ng,  Tec h n i c a l  Co l l e g e o f  En g i n eer ing,    N o rther n  Tec h n i c a l  U ni ver s it y,   Mo su l /  I raq.   Em ail:  su lta n _ n as hw n@ ya hoo. com ,   n ashw an. s ale h @ n t u .e d u . i q       1.   I N TR OD U C TI O N   The   BLD C   m ot ors  ar e  com m only  use d   i n   ind u s t ria l   a pp lica t i ons  a n d  i n s t rum e nta t ion s   m ore  t h a n   con v e n t i ona l  D C   m otor   due   t o  a t t r ac ti ve  f e a tures  s u c h   a s:  h i g h  ef fi ci e n c y ,  h i gh   t o r qu e,  g re at   s p e e d ,  smal l  no ise ,   m in or  vol ume   and  e x t e nde d  l i fe.   The  BLD C   m ot or s  do  n o t   h a v e   brus hes  l i ke  D C  mot o r  t h e r ef ore  n o   sparks  dur in g  ope ra ti o n .  Thi s   a ll ow s  u s i ng  the   m o tor   i n   h a z a r do us  a r eas.   A s   it  is  s how n   i n   F i g ure  1  s i m p le   cross  sec t i o n  BLD C   m ot or  c on ta in i n g   sta t or  t hat  c a rries  w in din g s.  W hile  t he  r o t or  c on ta in s  perm ane n t   ma gnet s  for  a rra ngem e n t   t w o  m agne tic   p a i rs of  p o l e.   T he   s t a tor  w i nd in gs  a re di v ide d  i n t w o  k i nd s:   s in u s o i da l  and  trape z o i d a l .  These  two  kin d s  sha p e  t h e   form   o f  the  b a c k   e l e ctrom o tive  for ce  (BEM F )   i nd ica t i o n.  T he   form  of BE MF  i s ad j u ste d  by di ssi mi lar co i l  in t er - c on nec t i ons  a n d  t h e  s p a c e  of the   a i r g a p [2]. In addi tio n  to   B E MF ,  the  ph a s e  curre n t   a ls o  t r acks  a  si nu so ida l   a nd   t r a p e z o i d a l  form .  A   sinus o i da l  motor  type   p r oduc es  fla t ter  elec t r o m a gnet i c   t o rq ue  t ha n  ot her   trape z o i d a l   m ot o r   t y p e.   H owe v er,   a  B L DC   m o t or  w ork s   e asi l y   t h ro ugh   t ra p ezo id al   s t a to r  win d in gs .  W h il e  t h e  con v e nt ion a l   DC   m o t o r   prod uce s   f l u x   w h e n   c urr e nt   p ass  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       O p t i m a l PID   c o n t r o l l er  o f   a b r us hles s D C  mot o r us i ng ge n e t i c  a l go ri t h m  ( M uh am m e d  A.Ibrah i m )   82 3 thr o u g h   t he  s t a tor  w i nd ing,   b u t   t he  B L D C  m o t o r  us e s   p erm a ne n t   m a gnet i c  to  p ro vide   t he  n ece ssa r y     air  gab flux[ 3 ].        F i gure   1.  B D C M sim p l e  c ross  secti on.       Th e  au tho r s  i n t r od u c e   a  re n e wa b l e   e n e r gy   a s   p hot ovol t a i c   c el l   s o u rc e  t o   f ee d  t h e  BL D C   d uri ng  t h e   bo ost  c o n v erte r  and  t h ree   ph ase  in ver t e r .  This  g re en  e l e ct rica l   e ner gy  s o urc e   w it h  MP P T   m e t ho d  f o r  BL D C   motor  w a s  e m pl o y ed  a n d   c o n firm ed  w ith  M A TLA B   s i m u l a tio n.   T h i s  m otor  i s  o p er ati n g    w it h  p h o tov o lta ic     pow er   s ource   a s  w e ll  as   e ne r g y   ba tter y   s o u rce   . T he  C ou ple d   i n d u c t or   o f  t h e  boo st   c on verter   w it h  va ria b l e     du ty  c yc le   o f  the   i n serte d   c o nver t er   w a s   m e r ged.   T he   s pe ed  c o n t ro ller  w a s  desi g n ed  t o  ad va nc e  t h e  BLD C   motor  perf orm a n c e  [3] .   I n  [4] ,   B LD C   m o t o r  di g i ta l  c o n t ro l  w i th  P I D   a nd  H ybr id  F uzz y - P ID   f or  s tea d y  s t ate   opera tio n  a n d   m a ny  di ffe re nt   s pee d s  (D y n a m ic  S t a te).     Re su lt  fu zz y-P I D   co ntro lle r  ha s  mor e   e fficie n c y   t ha n   PID  control l er  ( better  p er form an c e ).   T he   B L D C  mot o r  is  c ontr o l l ed   b y  de sign i ng  tw o  c o nt r o ller   t y pes’   f uzz y   lo gic   an d  P I   c o n tro l lers.   The s e   c o n t r o lle r s   c ontr o l l e d   t he   s pee d  o f   B LD C  mot o r.  T he   s ys t e m  ou t p u t   perform ance   r esu l ts are   c omp a r e d w i t h  the se   c on tro l le r  t y pe s.   T he   d esi g ne d F L C  is be s t   t h an P I con t ro lle r for   the  m o tor  spee d  thr o ug h   redu c i n g   ove rsh o o t,   c om puta t io n a l  t i m e   and  low e r   err o r  [5].  I n  [6] ,   T he   c on trol le r   P I D   and  bac t er ial   f o rag i n g (B F )   -   p a r ticle  s w a rm   opt i m iza t i o n(P S O)  a l g o r it hm   ( com b ini n g   P S O   and  BF )  w a s  use d   w ith IA E  ,   I S E ,   MS E   and IA TE  er ror  criteria  ,  Relying  on  t he ir resu l ts BF - P S O   P ID   c on t r o l le r i m proves  the   per f orm a nce   be tter  t h a n   P ID   c on tro l l e r.  T he  B LD C  mot o r  sp ee d  w a s   c o nt r o l l ed   b y  de sig n i n g   t he   S ing l e   Inp u t   F u zzy   P I   C o nt r o lle r.  T h e   s i m p l i f i e d  F L C  w a s  us ed  w i t h one   c on t r ol  i n p u t .   T h e   S I FP IC  a re  s olv e s  m a ny   p r ob l e ms  m a d e  b y   c l assi c a l   FLC  fo r  e x a m p l e   l ong   p roposa l   c y c l e ,   f a c t o rs  f or  t u n i n g  and  di ff i c ult y   o f  process   to imp le me nt a t t h e c o n t ro l. T he  sim ul a t i o n  me t h o d  w i t h  t h e   S I F P I C, classical FLC, and d i s cr ete PI con tro ller  are   opera t e d  t o   r e gul a t e  an d  con t ro l  th is  m ot or.   The  com p ariso n   r esul ts  f o r   t he se  c o n tro l le rs  t hat  pr od uc e  th e   S I F P I C  c o n t r o l l e r   i s   t h e  b e t t e r   t h a n  o t h e r s   [ 7 ] .  I n   [ 8 ] ,   t h e  P I D  c o ntro l l e r  g a in s  are   o b t a i n ed   t h r o ugh  c o nv en tio n a l  me t h od s  of   Z i e g l er-Ni c ho l a s  (ZN),  Co h e n  Coo n   ( CC)  a n d   A m str o n- H a gg l u n d   ( A H )   u si ng  F r actio nal  O r d e r   P I D   to  c o n t r o l   t he  s pee d   a n d   i mpr ove me n t   i n  t r ans i e n t  pe rform a nc e.  T he   B LD C  m o t o r  w i t h   three   c l ass i ca l  sens ors  is   d ri v e n  a nd  fe d  by  ph o t o vol ta ic  e nerg y  s ourc e   t hro u g h   s t e p  u p   D C   t o  D C   c o nve r t er  opera tin g  in  t he  g rea t   v o l t a ge  g ai n  w i t h   t hre e   p hase  i n v e r ter.   Th is   s ys tem   i s   v e r ifie d  for   a d j u s t ab le   i n c r ement a l   m o to r  sp eed   w it h   st ati c   t o r que   a n d   a d j u st ab l e   d e c re m e nt ed  m ot or  s pee d   w i t h  s t a t ic  t or qu e   wo rk ing   se t ting s  [ 9 ] .  BLD C   m otor  S pee d   a n d   t orque  c on tro l   i s   e x trem ely  s i gni fi c a n t.  S peed  c o n tro l   i s  r e qu ired  t o  a d ju st me nt   t h e   i n put   e l e ct ri c  p o w e r   o f  t h e  mo t o r  to   r ea ch   s p eed   w hic h   i s  nee d e d .  M o re over  s p ee d  c o ntr o l   is   impor ta nt  w he n  the   mot o r  spe e d  s t a b le  a nd  a c c u r a te  i n   sensi t i v e  a p p l i c a t i o n .  V a r i o u s  a p p r o a c h e s  P I D   con t ro l l er  i s   de signe d  for  BL D C   m ot or  w e r e  e m pl oye d  w i t h   r e s pec t  to   h i g h   perf orma nc e   t i m e   c har acte r ist i cs   re q u i r emen t s .  Ea rl y  con v e nt io n a l   app r o a ches  a re  u t i l i z ed  f o r   P I D   contr o l l er  t o   c o n t ro l  th e  ro ta ti o n   o f  t h e  motor  for   a i m   t h at   r eq uires   l o w  a ccur a c y   s uc h  as   t r i al   a n d   e rro r  a n d   MA TLA B   tune r  a p plic a tion.   F o r   app l ica t i o ns  w he re  t he  c ha ng e  of  s peed  a n d   t orq u e  is  a n   i m porta n t   f ac t o r ,   i t   is  v ery  nec e ssary  t o  h a ve  a n   effec t i v e  a nd  p r ecise  c o n tr ol l e r   stra t e g y .  Now  a  da ys,  in t e lli g e n t  tec h n i qu es  like   par tic le   s w a rm  opt imi z a tio n   (P S O ),   b a c ter i a l   f or ag i n g   (B F )   a nd  gene tic   a l g ori t hm  ( G A )   m etho d o l o gy   a r e   u se d   to   o bt a i n   a be tter  c o ntr o l l e r   p e rfo rma n c e   t o   co nt rol   th e  el ec t r i c   m a c hi nes   wh e n   t h e   o p t i m ali t y   re qu ir ed  i n  se ns i tiv e   ap pl i c a t io ns  f or  t y p e   of  B LD C  m o t o rs.   I n   t he  c urrent  a r t ic le   t he   o p tima l   P I D   c on tro l l e r   w as  d esi gne d  for  BLD C   m ot or  c o n tro l   sy st em.  Th i s   m e t hod   i s u s ed  b a s ed   o n  t h e  IAE  a n d   ISE  erro r  c r i t er i a   m i n im iza tio n ba se d   o n  ge n e t i c  al g ori t hm   t e c hni qu e s   t o  a c h i e v e  opt i m a l   P ID  c o n t r ol l e r  f act o r s  for  re su lt   e nh an ce me nt s  a n d  syste m   p e rform anc e   i m p r ov emen t .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    8 2 2   –   8 30  82 4 2.   RESEARCH METHOD   T h e   ma j o r  d i ff e r en c e   b et ween   t h e   t ra dit i on al   D C   mo to r  an d   B L DC   m o tor   is  i nc r e asing  of   p ar ts   c o mple x i ty  t ha t  im pac t   o n  t h e   BLD C   m o t or  g e n era l   r esu lts.   The   i n d u c t i ve   a n d   r e s is t i ve   s har e s  of   t he   B LD C   mo t o r  con f i gura t io n  b eco me   p re t e nt iou s   w h e n  th e r e ’ s  pha se   a lt e r a t ion.   F ig ur e  2  s h ow s  the   s y m m e t r i cal  3 -   pha se   “ w y e”  i n t e r n al  c o nnec t i o n  o f   t h i s  m o t o r .   T he  B LD C   mo tor   m at hemat i cal   s t r u c tu re  w as   c re a t e d   f ro m   the  t ypic a l  D C   m otor   m athe ma t i c a l   m ode l  [ 5 ] .             F i gur e  2.   B LD C  m o tor   m odel .       B L D C   m ot or   i s  li ke  c o nve n t i ona l  D C   m ot or   e xc ep t  t h er e  i s   t h r ee   pha se s  i n   B LD C  m o t o r ,   t he  B LD C   m o tor   o u tp ut   s pe ed   i s  r e g u l a t ed  t hr ou gh  w a ys  o f   a   thr e e  -   pha se   p ul se -wid th   m odu la tio n   in v e r t er.  Th is  m o t o r   dy na mic  fea t ur es  i s  li ke  t o  p e r m anent  ma g n e t   D C  m o t o r .   T he  B LD C   m otor   e q u a t i o ns  c a n   b e   e x pr e ssed  b y   ( 1 )-(5 ) [ 1 0 ]          ∗      (1 )       ∗      ( 2 )      ∗    ( 3 )          ∗  ( 4 )     wh ere:     :   a ppl ie d  v o lta ge   : M o tor   spee d    :   Bac k  elec t r om oti v e f o rce     : he  m oto  c u r r e nt     L:  T he  i nd uc ta nce   of  s t a t o r     T:  T he  m otor   t or q u e   D: Viscou s  co e f f i c ient  J :  Mo m en t   o f  i n e r t i a   Kb: Bac k  elec tr omot ive  forc e  The  B L D C   m otor   t r a ns fer   fun c t i o n   w i t h  co nt r o l  sys t e m   i s  ca l c u l a te d:         ∗ ∗   ∗              ( 5 )     The  B L D C   m ot or   m athem a t i ca l   m o de l  is  c alcu la te d  d e p e nd i ng  on  t h e  ch o s en   v alu e   o f  mo to r  pa r a m e ter s   f r o m  w h ich  a r e  r e pr esen ted  i n   T able  1 .       Tab l e  1.  P arameter s val u es  o f  the   s t ud ie d m o tor   Pa r a m e t e rs  V alue s   S t at o r  r es i s t a n c e   (   R)   21 .2 Ω Ind u c t a n ce   o f   the   s t a t or (L )  0.05 2 H Motor  tor que  c onst a nt  ( K t )   0 . 1433 Kg m /A B ack   e l e ct r o m o t i v e f o r ce  co n s tan t  ( K b )  0.0419 V / rad / S Mo me n t  o f   in er t i a ( J )  1∗ 1 0  Kg m s /rad Vi s c o u s   c o e f f i ci en t ( D)   1∗ 1 0  kg m s/ ra d Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       O p tim a l   PI D   con t r o ller  o f   a b r ushle ss D C  mot o r us ing ge n e tic a l go ri t h m   ( M uham m e d  A. I b rah i m )   82 5 3.   PID  CONT R O LLER   The  P I D   (P r opor t i o n a l ,   I n te gr a l   a n d   D e f er en ti a l )   co n t r o ll e r   d es i g n   b a s e d   o n   Zi e g l e r - Ni c h o l s  met hod  d e p e n d s   o n  t r i a l  a n d  e r r o r  t o   t u n i n g  t h e  p a r a m e t e r s   ( ,      . T his  m e tho d   i s  pe r f o r m ed  e m p lo y i ng  the   BLD C   m ot or   m odel   o f   ope n   l o o p   s ys tem   and   t h e n   f i n d i n g   t he   r e q u i red   v a lu es  o f  mo tor  p a rameter   n ecess ary  f o r   c a lcu l a t in g  P I D   f actor s  gai n   v a l ue s  i n   o r d e r   t o  ge t  bes t   r e sp onse  [ 9 ] .     H o w e ve r ,   c on ve n tio na l  P I D   c o nt r o l l er   w a s   w or ke d  t o   c on tr o l   a nd   im pr o v e  the   s p e e d - t or que   o f   BD C M   m o t or   s i n ce   P I D   c on t r ol ler   has  ad va nta g e s   l i k e :   s i m pl e   a n d   e a s y   t o   u se ,  st ab l e ,  ea sy   t o   ad ju st ab l e   a nd   hi g h   r elia b i l ity   T he  c o nve n tiona l   m e th o d s  of  P I D   t un in g   ar e   not   r el iab l e  for  r eal  time   respon se.   F i gure  3   show s  t h e   BD CM  w i t h  P I D   c o n t r o l l er   s yste m   bl oc k  d i a g r a m.   T he   c o ntr o l   func t i o n   e x p r e ssed  a s  [1 1] .     u t k k s  ( 7 )     W h ere:  ,  and   a re   t he pr opor tiona l ,  Integr a l a n d der i va t i ve   c ont r ol l e r   g a i n  va lues  o f   P I D   c ontr o ll e r .  PID  Tu nin g   I mp l e me nt at io n:   T h e re   a re  m a n y  met h o d   s  to   t uni ng   c o nve nt iona l   P I D ,   i n  th i s   p a p er ,   tw o  me t h od s  w e r e   c hose n   f or   t u n n ig :            F i gur e   3.   B LD C   mot o r   w i t h   P I D   c on tr ol ler   sys t e m   b loc k   d i a gr am       3. 1.   T a ri a l  an d   error  tunnin g   In   t hi s  me tho d ,  Kp ,  Ki   a n d   Kd   v al u e s   are  se l e ct ed   b a s ed   o n   th e   des i g n er's  e x p er i e nc e,   f rom   this   m e tho d   t he  o bt aine d  c o e f f e c i e n t s   v a l ues  o f   P I D   g a i ns  a r e :   Kp =  8 00 ,  Ki =   29 0 ,  Kd = 0 . 039  The  respo n se  o f BDC M   u s i n g   traial  a n d  e rror  and  t i m e   c har acte r s tic s  is  s h o wn i n F i gur e 4           F i gur e   4.   S tep  r e spo n se  o f  t r ia l   and  er r o r   f o r   BLD C   m otor  sys te m      3. 2.   M A TALB PID tunn er  app.  The  K p , K i   a n d  K d   v al ues  a r e  a c hie v ed  b y   usi n g  MA TL A B   P I D   T une r   Ap pl icati o n   in   M ATALB  R 2 0 1 7 a  sof t w a r e   a s  show n  be low :   K p= 7 00  ,     K i = 3 6 0   ,  K d= 0. 09.   The  r e sp o n se  o f  B D CM  u s i ng   M A T L A B   T u nner   tr ail  a n d  e r r o r   and  t i m e   c ha r a c t er st ics  a r e  show n  i n   Fi g u re  5 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    8 2 2   –   8 30  82 6     F i g u r e  5 . S tep   r e sp on se o f au to   t uning  f o r  BLDC mo t o r   system.      4.   GEN ETIC A L GO R I THM TUINNING PID  C O T ROLLER  G e ne tic   a l gor it hm  i s  t h e   m a j o r   c a teg oy  of   e vo l u t i ona r y   a lgor it h m s   ( EA)  tha t   c r eate s   r eso l u t i o ns  t o  op t i miza tio n  di ff ic u lti es  r e t a i n i n g   m e t h o d s  st imula t e d   b y   us ua l   d e v e l opme n ts  s uch   a s :  se l e ctio n,   i n h e r ita nce ,   m u tat i o n  a n d  cr ossi n g .   G A   i s  o p er a t e d   t o   deci de  on  op tim i z in g  t h e  r a t e s   o f   P I D   c o n t r o l l e r  g a i n s  f o r  t h e   se l e c t ed  B LD C  m o tor   sys t e m .   The   con t r o ller   i s   p r o pose d   f or   t o  r edu c e   t h e  e r ro r  d e c r ea se   o f   th e  o u t p ut  r e spo n se   w ith  r e g an d  to  t he  o rie n ta t i o n   s ig na l   [1 2].   The  er ror  is  c ompu ted  e qua ll y  t h e  per f o r m ance   t a b le ,   a c hie v e d   b y  r e duc i ng  the  er r o r   am ong  the  uni ts  s te p  o f   i np u t   r e spo n se .   The  ph ysi o g n o mie s   f or   t he  w ante d  pe r f or m a nc e  ar e   t y p i ca ll y s t a t ed  i n  r e la ti on s  of   t i m e  f i el d  a m o unts.   T he  c on f i g u r a tio n  o f  t he  g ene t ic  a lg or i t hm   m odi f i cat i on  P I D  con t r o l l e r   f actor s  ar e   sho w n  in  t he   F i gur e  6.   The per f or m a nce   of   c o n t r o l  sys t em   i s  m eas u r e d   e q u a lly t o  op t i mu m .   I f  th e  par a me t e r s   v a l ue s  of   P I D   c o n t r o ller   a r e selec t e d   s uc h t h e   pe r f or ma nce  tab l e  i s   l ow es t .   I n t e g ral  squ a r e d   er ro r  (I S E )  an d   in teg r al  a bsolute  -   erro r criter i on  (IAE)   a re selected   a s ob j ectiv e fun c tio n   in  t he  c o n tr ol l e r   p l a n   t ec hn i que.   The   ge ne tic  so f tw ar e   de sig n   i s  use d   t o  m i t i ga t e   t he  z one s.   T he  e r r or   c r iter i a   I A E  an d   ISE  f o rmu l as are  a s fo llows  [ 1 3 ] :                 (8 )                  ( 9 )   The  pro p o s ed f l o wc hart  b e l o w  illus t ra t i o n s the  fu ll proc ed ure   o f  G A   e v aluat i on  m o r e   o b v io us ly  i n  Fi g u re  7 .         F i gur e  6.   O pti m al  P I D  Con t r o l l e r   c on fi g u r a ti o n s.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       O p tim a l   PI D   con t r o ller  o f   a b r ushle ss D C  mot o r us ing ge n e tic a l go ri t h m   ( M uham m e d  A. I b rah i m )   82 7     F i gur e  7.   P r o p o se d  gene tic  a l gor it hm  p r o ce ss  desi gn  f l ow cha r t.   Area o f  erro r  f o r  t h e sy stem  r esp o n s e       P r opo se d  ge n e t i c   al g o r i t h m   pr oce s s  des i gne d  in   M A T LA B   / S O F T W A R E   i s  sh o r tene d  i n   t he   fo llow i n g  ste ps .  1- Spec ify  t h e  a l g o ri thm   pa ram e ter s ,  the  major  c h ara c t eris t i cs  o f  the   c o n s ider e d   o pt imiz er  a re  a s  outl i n es  i n  Ta ble   2.       Ta ble   2.  P aramete r s of  GA  1/I A E   &   1/ISE  F itne s s   f unc tion   (pe rfo r m a n ce   i nd ex)   R o u l le te   S e l e cti on m e thod  40  G e n e r a tion  size 30 P opula t i o n  si ze   Proporti ona l   F itne s s   s c a l ing Arithme ti c   c r ossov e r C r ossove r   m e thod  90%  C r ossove r   pro b a b il ity 2% Muta t i on  proba bili ty Unifo r m   m u ta t i on Muta t i on m e thod  20  S t a lle d   ge ne r a ti o n       2- R a nd om   g e n era t i o n   o f   P I D   p a r am eter s  (  K p   , Ki  , Kd  ) .re p rese n t e d  b y   m a t ri x   of  s ui t a b l e   so lu t i on   f or   e ach  a v ai l a b l e   set  .   P opu la ti on  ( P )   m a tr ix  a s  show n  i n   e q u a t i o n  ( 10)       1 1 1 2 2 2       ( 10)     Whe r e  n  n u m b e r   o f  pop u l at i o n.   3 -   C al cu l a t i n g   o f  t h e  fi tn e s s  v a l u e  fo r  ev ery   se t  of   s ol ut i o n ,   t h e  f i t n es s  f unc t i o n   i n  pr o pose d   a lgor i t hm   i s   gi ve n  i n   e q u a t i on  ( 8 )   &  e quat i on  ( 9 ) .   T his  a p p l ie d  t o   m inim i z at io n .   4-  Se lecti ng o f   l i m i t e d  p op u l at io n wit h  gre ate r   p erform ance .  5-   C omp o s iti n g   o f   n o v el  s e t   o f  so l u t i o n   ( n e w   kp  ki  k d)   f r o m  fin e s t   so lut i o n   i n   p re ce ding  l oop s.  6-   U sing  ge ne tic   oper a tor s   f u n c t i on  ( c r o sso v e r   & m u tat i on) .  7- R e pe at i ng  pre v io us ste ps  ( fr om  3  -6) till o b t ai n i n g  o pt ima l   P I D  c o n tr ol ler   coe f fici e n t s .   The  ta ble   3  r e views   t h e   o p t im al   g ai n  va l u es  o f  P I D  con t ro l l er  a tta ine d   t hr ou gh   u si ng   g e n e tic  al go r i th m f o r   d i ff erent  erro r crit eria.   Th e  res p on se  o f   GA_ PID  of  both  er ror   c r iter i a  is  s h o w n   i n  F i gur e  8.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 2 ,   Ju n e   2 019   :    8 2 2   –   8 30  82 8 Ta b l e   3.   G a i ns  o f  P I D  contr o l l e r   e nhanc e d   b y   genet i c  al g o r ithm   p aram et ers I AE IS E Kp   3 8 9 . 6 25   4 63 . 7 6 5   Ki 49 9. 8 2 2 4 99 . 8 5 3 Kd  1 5.59 7   17 4.8 8 6           F i gur e   8.   S t e p  r e sponse   of  G A - P I D  for   B L D C   m otor   s ys t e m .       5.   RESU L T S  A ND ANALY S IS   The   a c h iev e me nt   o f  c o nve nt iona l   P I D   con t r o l l er   i s  not  g e t t i ng  t h e  pe rfe c t   r esu lts  f or   h i g h   pe r f or m a nc e  c o n t r o l   system   d e s i g n  o f   B LD C   mot o r   sys t e m   . S i milar l y   t he   a p p ro pr i a t e   o p tim ize d   c oe fficie n t  va lue s   o f  c o n t r o lle r   a r e  go tte n  b y   t he  e mp l oym en t  of  g en etic  a l gor ithm   ba se d  P I D   c ontr o ll e r .   A   sim u l a ti on   pr ogr am   i s  pla nne d  to  a ss oc i a t e   t he  s te ad y  a nd  d ynam i c  p e r f or ma nces  f o r   t he   c e r ta in  B LDC  m o tor   co ntr o l   sys t em .  The tim e r e spon se c hara cter i s t i cs o f di ffe ren t   c o n t roll er   a r e  p r e s e n t ed   i n   Fi g u re  9 .             F i gur e  9.   S tep  r e spo n ses  f o r   P I D / G A ,   tr ial  &  e r r o r   and  cona t i o n a l  P I D  c o n t r o ll e r s       To  c alc u late  t he   p er f o r m ance   a nd  ste a d i ne ss  of  t he  c on t r ol l e d  s ys t e m  a  se ries  o f  d i m e nsi on  ar e  a ccom p l i she d .  The  r i se  tim e,  s tead y- sta t e   e rror,   m a x i m um   o ver s h oo t   an d  se ttl i ng  t i me   a r e   c h o se n .   T his   tr a n sie n t   par a me ter   a r e   obta i ned  an d  sh ow n   i n   T ab le  4 .       T a bl e   4 .  R es ul t o f  t i m e res p onse c h ara c t e ri st i c s   pa rame t e r s   T r a il & e r r o r  MATLAB   tun e r  GA- IAE   GA-ISE   R i s e   t i m e ( s)   6 . 87e - 5   5 . 64e -5  5 . 11e -7  4 . 56e -8  Se t tling  tim e(s)  0 . 000 6 9 2   0. 0003 75   9 . 11e -7  8 . 12  e - 8  Ove r s h o o t   ( % )  3 7 . 4   14. 5   0  0  P e a k   3 . 7 4   1. 44   1   1   S t e a d y   st a t e e r ror   0  0  0  0      S e ver a l   schem e s  co ntr o l l e r   d e s ign  of   p r e se nt i ng  t h e  r e sp o n se  i n for m a tio n  are   at tem p te d  t o   f in d  an   op t i mum   m e tho d   f or   u se  t o  dr i v e  B L D C   m otor .   F r om   F i gur e  1 0 ,   Com pa r i ng  the   pe r f o r m anc e     i t   i s   r e m a r k a b ly   o b v io us  t he  m a x i m um  over s hoo t  of   t he   s y s te m   in   c o n v e ntio n a l  cont r o l l e r   i s   m u c h  b i gge r  t h an   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       O p t i m a l PID   c o n t r o l l er  o f   a b r us hles s D C  mot o r us i ng ge n e t i c  a l go ri t h m  ( M uh am m e d  A.Ibrah i m )   82 9 f r o m  G A -  P I D  . T h e   G A - P I D   c o n t r o l l e r   g i v e s  l e s s   s e t t l i n g   t i m e  a nd  rise   time     c om pare d  w i t h   c lass ica l   P ID  con t ro l l er.   A l so  i n  eva l ua tio n  w i t h   t he   o t h er   c on t r o l ler s   t he  a c h i e ved   find in gs  p r e s e nt  t ha t   t h e  G A - P I D  con t ro l l er  h as the  o p tim um  i mpro ve me nt   i n t h e  sys t em  pe r form anc e.           Fi g u r e 10 . C o nt rol l e rs p e rfo rman c e   e v al u a t i o n   an aly s i s       6.   CONCL U S ION  I n   t h i s  stu dy,   t he  d e s i g ne d  P I D   for  BLD C   m oto r   c on trol  s ys tem   i nc lu d i ng  e nha ncem ent  by   G A   i s   pro pose d .  The   p r op ose d   c o n tr ol l e r  has  muc h   b e t t e r  t i m e   r e s po nse   c har acter istic s  com p are d   w ith  t he  c o nv en tio n a l  te c h niq u e .  Th e   co nv en ti o n a l   met h od   f o r   t uni ng   P ID  pa ram e te rs  i s  i n forma l   i n  c o m put in g.  I t   i s   su i t a b le   f or  p r o v i di n g   u s  w i t h   t he   i n itia l  po in t  of  t he  P ID   c on tro l l e r  c o e ffi c i e n t   va l u es.  Wher eas  t he  g enet ic   alg o ri t h m  des i gne d  P I D   is  a b u n d a n t   fi nest   i n  rela t i o n s  t o   t he  r ise   t i m e ,   se t t l i ng t i me   a nd per cen tage   o ve r s hoot   tha n   t he   c o n v e n ti ona l  t e c h n i q u e.  I n  G A _ P I D   de sig n e d   t w o   p erfor m a n ce s  inde x  ha v e   u se d  IA E  a n d   IS E  in   err o r  c o mputa t i o n.  T he   I S E   c riter i on  e a s y  t o   c a l c u la te   a nd   it  a d m its  d i s cri m in a tin g   ov e r d a mp e d   f ro m  un derda m pe d  system .   IA E  make s  slow er  r e s po nse  tha n   I SE  o u t pu ts  b u t  w i t h o u t   a   b i g   o sc il la tio n  o v e r   time .   Conse que n tly   t h i s  pr o p o se d  regu lat o r  ( G A -   I S E   o p t i m ize r)  ca n  be   e mp lo ye d  t o   d riv e   a   B LD C   m o tor   for  sens iti ve  a pp l i cati o ns.       REFE RENCES  [1]   Ah m e d,  A hm ed   M .,   e t  al.  “Bru shl e ss  DC   m ot or   s peed  c ontrol  u sing   both   P I   c ont ro l l er  a nd   f uzzy  P I  con t ro ll er”  In te r n atio na l J o urn a l   o f  Co mpu t e r   Ap plic a t io n s , Vo l .   1 0 9 (1 0), p p.  29 - 35 , 20 1 5 .    [2]   Zh ao,  J i an,  and  Yan g w e i  Y u .  “ B ru sh less  D C  motor  f u nda m ent a ls  a p pli cati o n   no te  “ MPS ,  F u t u r .  A nalog   IC   T echn o l ,   pp.   7 -8 ,  20 11.   [3]   V.   S enth il  Nayagam  and  L.   P remala t h a."Green   E nergy   Bas e d  C o u p le d   In du ctor  I nt erleav ed  C on v e rter  w it h  MP PT  Tech ni qu e   f o r  BL DC  A p p licati o n . "  Inter n a t i onal Jo ur nal  of   P o wer E l ectr onics  and  Dri ve Sys t em ( I J PEDS ) ,  V o l .   9,  No. 4, pp. 1 725-1 732 , D ecember 20 18 .  [4]   S o n i ,   Yog e nd ra  K um ar,   and  Rajesh   B hatt .   “ B F - P S O  o p t i mi z e d   P I D  c on tro l le r  d e sign   u s i ng   I SE,   IAE,  I A TE  a nd  MSE   error  crit eria“,  Intern a t io nal Jou r na l of  Ad vanced  Resea r ch  i n  Com puter   E n g i neer in g an d Techn o l o g y .  Vo l .   2.   N o.   7 ,   pp.   2 333-2 336 ,   2 01 3.  [5]   Ak ram   H.   A hmed,   A bd  E l   S amie  B .   Ko tb  a nd   A ym an  M . A li,   “ Com p ari s o n  b e t w e e n  F u z z y  L o g i c  a n d   P I  C o n t r o l   f o r  t h e  S p eed   o f  BLD C   M oto r ”.  Int e rnati o n a l  J our na l of Po wer El ectr onics a nd Drive Sys t em  ( I JP EDS) ,  Vo l .   9 ,   No. 3 , pp . 11 1 6 ~ 11 2 3 , Sep temb er 20 1 8 .   [6]   S o n i ,   Y o g e n d r a   K u m a r ,   a n d   R a j e s h  B h a t t .   " B F - P S O  o p t i m i z e d  P I D  c o n t r o l l e r   d e s i g n  u s i n g  I S E ,   I A E ,  I A T E   a n d   MSE   error  criteri a."   Int e rnati o n a l  Jou r n a l  of Adva nced  Res e ar ch i n   Comp u t er   Engin eeri n g  an d   Techn o lo gy.  Vol  2   no   7 ,   pp.   2 33 3-2 3 36 ,   2 013 .  [7]   N.   N .   Baharu din   and   S .   M .   A yob,   “ Brus h l ess   DC  M o t o r   S p eed  C on tr ol  Using   S ing l e   In p u t  Fuz z y  PI  C on tro l le r” .   Int e rn ation a l  Jo ur na l  o f   P o wer El ectr onics  an d  Dr ive  Sys t em  ( I JPEDS) ,   V ol.  9 ,   N o .   4 ,  pp .  1 9 5 2 ~ 1 966 ,  Decem b e r   20 18 .   [8]   Kh ub alk a r,   S .   W . ,   et  a l.  " Des i gn   a nd  t u n i ng   o f   fractio nal   o r de r   P ID  c on t r oller  f o r  sp eed  c on trol   o f   perm anen t  m a gn et  b rus h l e ss  DC  m otor”,   C o ntro l,  Me asu r e m e n t an d In st ru me ntat io n  (C MI ),  20 16  I E E E  F i rst  Inte rna tion a l   Con f er ence o n . I E E E ,  20 1 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  2 , June  20 1 9  :   822  –  8 30   83 0 [9]   G. G . Raj a   S ek har  and   Bas a v a raja   B anak a r a,  “ P e rfo rm a n ce  of   B rush l e s s   D C  D r i v e  w i t h  S i n g l e   C u r r e n t  S e n s o r   F e d   f r o m   P V  w ith  H igh  Vo ltage-Gain  DC-DC   C onverter”.  In ter nat io nal Jo urn a l of  Po wer El ectr o n i cs  and  Driv e   Sys t em  ( I JPE D S ) ,   V ol.  9,  N o .   1 ,   pp.   3 3 ~ 45 ,   M a rc h  2 0 1 8 .  [10]   Nas r i,  M ehdi,  Hos s ei n  N ezamab adi - P o u r ,   and   Mali he Mag hf o o ri.  “ A  PS O -bas ed  opt im um   d es ig n  o f   P ID cont ro l l e r   f o r  a  linear  b rushl e ss   D C   m o t o r”  W o rl d  Acad emy of Sci e nce,   E ngin eeri ng an d  T ech no log y ,  vo l.  2 6 ,   n o.4 0 ,  pp .   2 1 1 - 21 5,   2 0 07.   [11]   P o t h o r ajoo,  S a t is hrao,   and   Hamd an  D ani y al.   "PID   b id i r ecti o n a l  s peed   c on trol le r  fo r  BLD C   w i t h   s e am l e ss  sp eed  revers al  u si ng   D irect  C o m m u tati on  S w i t ching  S c h e me. "   Contro l  and S y st em G r a d u a te  Res e arch  Co ll oqu ium  (I C S G R C ) ,   2017  IEEE 8t h .   I E E E, 2017.   [12]   S   Dawo od ,   Y ouni s,   A l i   K   M ah m o od,   a n d   M uh am m e d   A   Ib ra him.   “ Com p a ri so n  of  P ID,  GA  a n d   F uz z y   L o g ic   Co ntrol l e r s  for  Cruise   C o n tro l   S yste m” ,  Intern atio na l J o ur nal of  Com p u t i ng an d Di g i t a l   S y st ems ,   vo l  7 ,   n o  05 ,  p p .   31 1-3 1 9 . ;  201 8.  [13]   Kro h lin g,  R enato  A.,  and   J o o s t  P .   R ey .  “Design  of   o p tima l   d istu rb ance  rejecti o n   P I D   co ntrollers  us ing   g e netic  alg o rith ms”,  IE EE  T r a n sa c t i ons o n   E v ol u tio nar y com p u t a t io n,  Vo l  5  n o 1 , p p . 78 - 82 , 20 0 1 .       B I OGRAPHIES  O F AUTHO RS      M u ham m e d  A . Ibrah i m .   B . S c  in  P ow er  T ech nical   E n g i n eeri n g /   N orth e rn  T echn i cal  U n i vers it y- Ira q-M o sul  in  2 01 1  with   g ra de   v e r y   Go o d   w ith   Ra nk e d   f irst .   M S c   i n   E l ectric a l   En gin eerin g   / C ont ro l     E n g i n e e rin g     f r om  E l ectrical   E ng .  D e pt .  /   Co lleg e  o f   E n g i neeri n g   /U n i ve rs it y  of   M o s ul   i n  2 0 1 3  w i t h  g r a d e  v e r y   G o o d .   C u r r e n t l y  h e   i s   a n   a s s i s t i n g  l e c tu rer  at  t he  D epartm ent   S y stem  and  Control  / Elect ron i cs  E n g i n eeri n g   /   N in eva h   U ni versi t y.   c u rrent   r e s earch  i n t erest s   i nclu de  l i n e a r   a nd  no n l i n ear  s ys tems   optimi zati o n ,   M achines   a nd   d ri ves.       A u s a ma  K h.   M ah m ood .   B. S c   i n  P o w e r  Tech nical   E n g i n eerin g/   N ort h e rn   T echn i cal   U n i vers it y- Iraq - Mo su l  in   2 0 11  w i t h   g rad e   v ery  Go od .  MSc  i n   E l ectrical   E ng i n eering   /P ower  E l e ct ronic   E n g i neeri n g     f rom  Electri cal  E ng.  D ept./  En g i ne erin g  Col l eg e  /   Mosul  Univers i t y     i n   2 014  wi t h   g r ade  G o o d .  Cu rrent ly   h e  is   a n    a ss isti ng   l ect urer  a t   E l ectri ca l  Po wer  Depart ment  -   T echni cal  Institute in Mos u l/Northen   T e c hni cal Un i vers i t y          N a sh wan  S. S u ltan.   B .S c  in  P ower  T echni cal  E ngi neeri ng/  N o r the r n   T echn i cal   U ni vers it y-  Iraq- M o sul  in  2 008   w ith  g rad e   v ery  Go od   w it h   Ranked   first.   M S c   i n  El ectrical   E ngineering   /Con trol    E n g i neeri n g     f rom  El ectrical   E n g .   Dep t ./ Co lleg e   o f   Eng i n eering  / U nivers it y  of   M o s ul   i n  2 0 1 3   w i t h   g rad e   v ery  Go od .  Cu rrent ly  h e  is  a n     a ss is ting   l ectu r er  a t   t he  D ep artm ent   Power  T e c h ni cal  E n g i neeri ng/ E n g in e e ri ng  Tech ni ca l   Colleg e /M osul .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.